UA63469C2 - Diamond-hard-alloy plate - Google Patents

Description

Винахід стосується області одержання композиційних матеріалів, а саме алмазно-твердосплавних пластин і може бути використаний при спіканні шарових нероз'ємних з'єднань твердосплавна підкладка - алмазний полікристал в умовах високого тиску і температури для виготовлення переважно руйнівних елементів бурових доліт і фрез.

Відома найбільш близька за технічною суттю до винаходу алмазно-твердосплавна пластина, описана в способі одержання комбінованої спеченої вставки |див. Патент США Ме4403015, МПК В22Е3/14, опубл.06.09.831|, що містить алмазний шар і твердосплавну пластину, між якими розташовано проміжний шар, що містить алмази.

Спосіб її виготовлення полягає в тому, що тверду спечену пресовку, яка містить алмаз або В. ВМ в кількості більше 20 об'ємн. 95, з'єднують з твердосплавною підкладкою за допомогою проміжного шару товщиною менше 2мм. Цей проміжний шар містить таку кількість В. вм, яка забезпечує жорстке зчеплення твердої спеченої пресовки з твердосплавною підкладкою, але не більше 7095 об'ємн. Інша частина цього шару складається із суміші карбідів, нітридів, карбонітридів, або боридів перехідних металів Періодичної таблиці Менделєєва 4а, 5а, ба, суміші цих сполук або їх твердих розчинів. Для поліпшення спікання проміжного шару він вміщує АЇ і/або 51і в кількості понад 0,мас. 905.

Недоліком отриманої за прототипом алмазно-твердосплавної пластини є крихкість, низька термостійкість і слабкий хімічний зв'язок проміжного шару з твердосплавною пластиною і алмазним шаром. Карбіди, нітриди, карбонітриди перехідних металів Періодичної таблиці Менделєєва 4а, 5а, ба, або їх суміші, не зважаючи на їх відносну стійкість проти нагрівання, крихкі і інертні до хімічних зв'язків. При введенні частинок АЇ і 5і при високій температурі утворюються крихкі інтерметалеві сполуки і шари, які знижують механічні властивості і зносостійкість спеченого матеріалу. При спіканні пластинки нагріваються до температури 1200-17007С, а після швидкого їх охолодження виникають температурні напруження сумірні з модулем міцності і навіть його перевищують, що призводить до появи мікротріщин і тріщин в проміжному і алмазному шарах, це призводить до деградації експлуатаційних властивостей пластини.

В основу винаходу покладено завдання такого удосконалення алмазно-твердосплавної пластини, при якому, за рахунок введення дібориду хрому в шихту твердосплавної пластини і алмазного шару і пропонованого співвідношення компонентів забезпечується утворення гомогенної структури з міцним каркасом твердосплавної пластини і алмазного шару і хімічного зв'язку між ними зменшення крихкості, і, як наслідок створення такої структури - підвищення термостійкості, міцності і зносостійкості матеріалу. Крім того, виключається операція виконання проміжного шару, що значно спрощує процес їх отримання.

Означене завдання вирішується завдяки тому, що в алмазно-твердосплавній пластині, що містить алмазний шар і твердосплавну пластину, згідно винаходу алмазний шар і твердосплавна пластина містять діборид хрому при наступному співвідношенні компонентів, мас. 90: алмазний шар: алмази -90...97 діборид хрому -0,5...10 твердосплавна пластина: твердий плав -90...99,5 діборид хрому -0,5...10

Оптимальним при цьому є, коли алмазний шар додатково містить металеве зв'язуюче, як таке - принаймні один метал з наступного ряду: кобальт, нікель, залізо, молібден, титан, цирконій, а алмазний шар і твердосплавна пластина містять діборид вольфраму (У/2В5) у кількості 0,1...5мас.9о.

Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляється і технічними результатами, які досягаються при її реалізації, полягає у наступному.

Завдяки введенню у шихту для твердосплавної пластини і алмазний шар активних тугоплавких сполук дібориду хрому (СтВг) проходять узагальнення не тільки валентних, але і внутрішніх електронів добудівного а- рівня атомів хрому і вольфраму, що проявляється в дуже міцній гексагональній структурі. Шар із атомів хрому розміщується по гексагональній щільноупакованій решітці, чередуючись з шарами з атомів бору, утворюючи гексагональну двовимірну сітку. Ці обставини дають можливість атомам СгіВо і М/2В5 утворювати міцні хімічні зв'язки як у власних кристалах, так і в сполуках з іншими елементами. Крім цього, атоми СгВо завдяки своїм хімічним активностям утворюють активні зародки з іншими атомами системи і зумовлюють їх тривимірне зростання на усьому проміжку спікання, що сприяє дифузії і самодифузії елементів і переносу маси і тепла, і, як наслідок, зменшується термонапруження. В результаті таких ефектів протікає структурно-фазова трансформація усіх компонентів, що сприяє формуванню дрібнозернистої структури з міцним каркасом і фізико-механічними властивостями алмазно-твердосплавної пластини.

Нами була побудована феномологічна модель процесу спікання алмазовмісних композиційних матеріалів для полідисперсних систем. Модуль базується на положенні, що швидкість усадки спікання і швидкість хімічної реакції пропорційна добутку узагальненої константи швидкості процесу, в якій енергія активації залежить від температури і тиску, і модельній функції, яка задовольняє умові фізичної залежності механізмів переносу маси при спіканні від параметрів системи, і найкращим чином апроксимує експериментальні результати. Отримані рівняння дозволяють обчислити енергію активації системи і кінетичні параметри масопереносу (механізм переносу маси за рахунок дифузії і зародкоутворення нових фаз) при заданих умовах температури і тиску.

При додаванні в ці шари дібориду вольфраму (М/285) додатково збільшуються модулі пружності, опору і зсуву, що суттєво впливає на міцність, зносостійкість і надійність алмазно-твердосплавної пластини.

Межі вмісту СтВ2 і УУ2В5 в шихті визначали, виходячи з умови основного завдання - підвищення термостійкості, міцності і зносостійкості матеріалу.

Верхні межі вмісту СІВг2 і УУМ2В5 обмежувались умовами спікання, при яких температура і тиск не перевищували значень, відповідно 1700"С і 8,0ГПа. При цих умовах з отриманих кінетичних рівнянь визначали ті мінімальні значення енергії активації системи, що спікається, для якої кінетичний параметр т, що характеризує масоперенос за рахунок дифузії а кінетичний параметр, який характеризує зародкоутворення нових фаз і швидкість його зросту п наближувались до значень, відповідно 1/3 і 4 на етапі ущільнення. Ті кількісні значення

СіВ» і М2В5, при яких енергія активації набуває найменших значень при т-1/3, а п-4 і є суттєвими для формування найкращих фізико-механічних властивостей і структури матеріалу, що спікається.

Винахід проілюстровано кресленнями, де на фіг.1 показано спорядження комірки високого тиску перед спіканням, на фіг.2 - загальний вигляд алмазно-твердосплавної пластини після спікання.

Приклад 1

Для спорядження комірки високого тиску (фіг.1) було взято контейнер з літографського каменю 1, теплоїзолюючий диск 2, спресований з пірофіліту, нагрівні елементи - диски З та трубчатий нагрівник 4, виготовлені з графіту, твердосплавну пластину 5, спечену із сплаву ВКА, в шихту якого введено 1,О0мас. 95 СтгВ» і 1,0О0мас. 95 М/2В5, алмазний шар 6, що складається перед спіканням з суміші алмазного порошку марки АСМ 60/40 з розмірами частинок 40...60мкм (94мабс. 95), порошку Со (4мас. 95), порошку СтВ»2 (1,5мас. 95) і порошку М/2В5 (0,5мас.оо) з розмірами частинок 5...10мкм, електроїзолюючий диск 7, спресований із графітоподібного нітриду бору, провідники електричного струму - молібденовий диск 8 та залізний циліндр 9, втулку 10 з літографського каменю. Спорядження здійснювали за схемою, показаною на фіг.1. Спікання виконували в апараті високого тиску типу тороїд по слідуючій схемі і режимах: протягом трьох хвилин тиск збільшували до 8ГПа з постійною швидкістю 44,4МПа/с і паралельно виконували нагрівання до 17007"С з постійною швидкістю 9,4"С/б. При температурі 17007С при постійному тиску 8ГПа протягом двох хвилин виконували спікання. Далі протягом 3...5х8в. тиск зменшували до атмосферного і паралельно виконували охолодження до 80"С за рахунок вимушеної конвекції. Отримано зразки алмазно-твердосплавних пластин діаметром 15мм, висотою 4мм. Після спікання була проведена механічна обробка зразків матеріалу до стану, придатного для дослідження структури і фізико- механічних властивостей. Алмазно-твердосплавна пластина (фіг.2) складається з твердосплавної пластини 5 і алмазного шару б, який утворено внаслідок спікання системи в умовах високого тиску і температури. На скануючому електронному мікроскопі (РОМ) 85-340, оснащеному системою цифрової обробки зображення і енергетичним аналізатором рентгенівських спектрів "І іпк-860" виконувався якісний аналіз розподілення фаз на основі цифрових зображень в характерному випромінюванні елементів характерних фаз. Проведені дослідження показали, що алмазний шар містить 94мас. 95 алмазів, 4,2мас. 95 кобальту, 1 4мас. 95 дібориду хрому, 0,4мас. 90 бориду вольфраму (М/2Б5), при цьому кінцевий склад зразків відрізняється від початкової шихти, що підтверджує наявність гетерогенних дифузійних процесів, які сталися під час спікання. Внаслідок введення дібориду хрому і бориду вольфраму (М/2Б5) утворилися тверді розчини і нові активні фази, відбулося їх тривимірне зростання на всьому проміжку спікання, що стимулювало дифузійні процеси, дало змогу рівномірно розподілитись усім елементам системи по об'єму матеріалу, створити самодифузію і міцне адгезійне зчеплення алмазного шару з твердосплавною пластиною. При цьому на поверхні границі "алмазний шар-твердосплавна пластина" зовсім відсутні мікропори і мікротріщини.

Для визначення температурних напружень була розглянута математична модель термопружного стану алмазно-твердосплавної пластини, які виникають у двушаровій неоднорідній пластинці в умовах дії високого тиску і температури. Модуль враховує особливості спікання і охолодження за рахунок вимушеної конвекції і випромінювання абсолютно чорного тіла. При охолодженні пластини тепловий потік з її поверхні не є лінійною функцією різниці температур між цією поверхнею та середовищем, яке її оточує. Тут враховано, що пластинка обмежена абсолютно чорним тілом з абсолютною температурою То, втрачає кількість тепла, яке віднесене до одиниці її поверхні за одиницю часу по закону: о-ввігі- та) де б . постійна Стефана-Больцмана;

Е - відносна випромінювальна здатність поверхні (ступінь чорноти).

Для карбідів вольфраму вона - 0,7; дібориду хрому і бориду вольфрама - 0,9; для суміші порошків алмазів і кобальту - 0,93.

Таким чином з великою точністю визначені температурні напруження в алмазно-твердосплавній пластини, які за рахунок активної дифузії (ковалентного зв'язку між алмазним шаром і твердосплавною пластинкою), відсутності інерційних карбідів, карбонітридів і т.п., високої теплопровідності і переносу тепла в умовах спікання суттєво зменшуються і не перевищують фізико-механічних властивостей матеріалу. Після цього визначали їх зносостійкість за величиною питомих витрат робочої кромки пластини після шліфування ними кварцевого пісковика на шляху терті 1000М.

Приклади 1-6 див. Таблицю, де наведено для тих випадків, які стосуються заявлених ознак. Приклади 7-10 - за межами заявлених ознак. Приклад 11 - відтворення алмазно-твердосплавної пластини за прототипом. Зміну складу шарів АТП досягали за рахунок виконання окремої шихти для кожного зразку матеріалу.

Як видно з таблиці, завдяки пропонованому винаходу температурні напруження зменшуються на З0ГПа, коефіцієнти теплопровідності алмазного шару і твердосплавної пластини збільшуються, відповідно на 250 і 5Вт/м. К) і стійкість проти абразивного зрошування збільшилась до півтора разів в порівнянні з прототипом.

Алмазно-твердосплавні пластини можуть бути використані як породоруйнівні вставки в бурових долотах, фрезах для різання металевих плит, деревини і т.д.

Робота алмазного бурового долота з використанням вказаної пластини не відрізняється від роботи з використанням відомих, якими оснащувались бурові долота, за виключенням зниження вартості пайки при виготовленні доліт та використання дешевих припоїв та розширення можливостей буріння за рахунок високої термостійкості, зносостійкості і міцності запропонованої пластини. Алмазно-твердосплавні пластини паяються по зовнішній поверхні корпусу долота, яка обертається з постійною швидкістю, а швидкість буріння залежить від типу гірської породи.

Таблиця

Об'єкт випро- | де Сумарне | Що бувань |у Діборид Твердий Діборид темпер. |Геплопровід Зносостійкість) Примітки

БИ песня вав авн

АТПпЗгіднобї | 94 | 15 2409; - | | ЇЇ 1051 98 | 1 | 1 | 108 | 400 | 00020 винаходу/ 2 90 | 10 | 6 20/10 /-1-Ї- ЇЇ - | 90 | 10 | - | 188 | з00 | 0о0озо | щрс(еЄ (3 97 | 05 |1ї0| 1 - /-Ї1-1- 1011 9957 | 03 | - | 89 | 420 | 00020

Шен Ен 3 ЕЕ: 5955 05 | - Ї- Ї - /-Ї1-Ї-Ї- | з | 1 | 1 | 88 | чо | 024

(6 90 | ло | - |- ЇЇ - 1-1 -11-1- 1 99551 051 | за | зго | пог | щрхфе:

Відокремлення "Ів в| 1 11111717 е| з | 21 жа | сю | сома

Тріщини в 99,7 1,3 95 З 2 490 алмазному шарі (а; 89 | 9 | 1/1 7 - 71-1-- 1 - | 88 | 12 | - | 410 | 238 | 000399 ої вв | лю | 2, - ЇЇ /-Ї-Ї-1 | 99571031 - | 46 | го | 0омо

АТП за х пост 1 | 111111 | юю || єм |з | оюв 7) Алмазний шар алмазно-твердосплавної пластини за прототипом додатково містить 5 мас. 95 кобальту. , лвЕрке ск не кьння спійналинм : -

ПІІ пи Р п 2 о

Ина

ДЕ

ЇХ посннкпк певних шании наши й

З

Фігі

Фіг.2

Claims (1)

1. Устройство для защитьІ бьітовьїх газовьх и злектрических плит от загрязнения содержит гибкую пластину из термостойкого материала с вьшолненной на еє поверхности перфорацией для введения технологических злементов плитьІ, и отличаєется тем, что в него введена, по меньшей мере еще одна пластина из термостойкого материала, причем размер пластин вьбирают из условия, что площадь поверхности отдельньїх пластин меньше площади поверхности стола плитьі, а суммарная площадь пластин превьішаєет площадь поверхности стола.

   Пластиньії изготавливают из алюминиевой фольги или других гибких, нетоксичньїх и термостойких материалов с вьісокой отражающей способностью.

   Для расширения потребительского ассортимента и удобства в использовании пластиньї могут вБіпОлЛНнЯятТьЬся с перфорацией в виде насечек и отверстий.

   После приготовления пищи загрязненнье пластиньї удаляют.

   Поверхность стола плитьї остаєтся совершенно чистой.

   В результате осуществления заявленного устройства повьішается удобство, комфортность и улучшаются санитарно-гигиенические условия приготовления пищи на бьітовьіїх плитах.

   Кроме того, значительно упрощаєтся уход и обслуживание плитьі.

   Благодаря свойствам пластин из фольги отражать тепловье лучи, значительно повьішаєтся КПД плитьі, сокращаєется время приготовления пищи и зкономится газ и злектрознергия.

   Кроме того, пластиньі могут использоваться как носители рекламной информации, которая наносится путем внідавливания, наклеивания, нанесения нетоксичньімМми красителями.